關(guān)于高功率LED封裝二三事

led照明應(yīng)用的快速興起，預(yù)期將擴(kuò)大高功率LED的產(chǎn)品需求，為確保高功率LED能符合市場(chǎng)要求，封裝業(yè)者試圖借由改善封裝材料、晶粒配置等方面，以真正達(dá)成高性價(jià)比與延長(zhǎng)使用壽命的目的。

　　產(chǎn)業(yè)界時(shí)常發(fā)表的高功率發(fā)光二極管(LED)光源，多為數(shù)十瓦甚至上百瓦的LED封裝技術(shù)，以光系統(tǒng)應(yīng)用端的角度觀之，實(shí)無太大意義，反而是如何能將數(shù)十至上百瓦的熱消除才是關(guān)鍵。而要達(dá)成此一目標(biāo)，須能有效降低單一LED封裝之熱阻值(Rjc)。

　　LED封裝所驅(qū)動(dòng)的功率大小受限于封裝體熱阻與所搭配之散熱模塊(Rca)，兩者決定LED的系統(tǒng)熱阻和穩(wěn)態(tài)所能忍受的最大功率值。為降低封裝熱阻，業(yè)者試圖加大封裝體內(nèi)LED晶粒分布距離，然LED晶粒分布面積不宜太大，過大的發(fā)光面積會(huì)使后續(xù)光學(xué)難以處理，也限制該產(chǎn)品的應(yīng)用。不可一味將更多的LED晶粒封裝于單一體內(nèi)，以求達(dá)到高功率封裝目的，因?yàn)槿杂兄T多因素待考慮，尤其是對(duì)于應(yīng)用面。

　　多晶粒封裝材料不斷發(fā)展

　　隨著LED封裝功率提升，多晶粒封裝(Multi-chip Package)成為趨勢(shì)，傳統(tǒng)高功率LED封裝多采用塑料射出之預(yù)成型導(dǎo)線架(Pre-mold Lead Frame)方式(圖1a)，封裝載體(Carrier)又稱為芯片承載(Die Pad)，為一連續(xù)的金屬塊，已無法滿足多晶粒串接之電性需求，電性串并聯(lián)方式直接影響LED晶粒電測(cè)分檔(Bin)的精密程度、可靠度壽命以及封裝體在應(yīng)用時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。于是眾多LED封裝型式陸續(xù)被提出，圖2舉出幾個(gè)代表性高功率LED封裝典型例子。

圖1　常見高功率LED封裝結(jié)構(gòu)示意

圖2　典型具代表性之高功率LED封裝

　　廣為業(yè)界使用的高功率LED封裝結(jié)構(gòu)，主要的差異大致可從封裝載體之材料選用做區(qū)分，實(shí)現(xiàn)方式不外乎采用高導(dǎo)熱陶瓷基材或直接在金屬基材上做植晶封裝(圖1b)，成為板上芯片(Chip On Board, COB)的封裝形式。但因?yàn)楦邔?dǎo)熱陶瓷基材價(jià)格居高不下，另有經(jīng)濟(jì)的選擇，為使用低導(dǎo)熱積層陶瓷配合熱導(dǎo)通孔(Thermal Via)的設(shè)計(jì)(圖1c)，熱導(dǎo)通孔內(nèi)添入燒結(jié)金屬(如銀材)作為導(dǎo)熱路徑；此外，亦另有先進(jìn)的作法，是使用半導(dǎo)體制程硅材為載體(圖1d)達(dá)到熱電分離，同時(shí)兼具高功率密度和低熱阻(＜0.5℃/W)特性，可望將高功率LED封裝導(dǎo)入另一項(xiàng)革命。隨著LED功率和功率密度升級(jí)，將加速LED在各應(yīng)用領(lǐng)域逐次取代傳統(tǒng)光源。

　一級(jí)光學(xué)鏡片封裝材料選用舉足輕重

　　耐高溫且穩(wěn)定的封合膠體(Encapsulation)已被廣泛采用，不同硅膠基材間的取舍，除了加工性外，主要在于折射率的考慮，其將影響封裝體的光學(xué)特性，此包括光分配(Beam Distribution)與出光效率等。為維持穩(wěn)定一致的光學(xué)質(zhì)量，賦予一級(jí)光學(xué)鏡片(Primary Lens)有其必要性，好的鏡片設(shè)計(jì)可提供更佳的光輸出質(zhì)量，如更均勻的光強(qiáng)度、色坐標(biāo)分布等，對(duì)于LED的有效出光有絕對(duì)的影響。

　　一級(jí)光學(xué)鏡片的設(shè)計(jì)，各家自有其道，一般在第一階出光多采用大出光角(≧120o)方式，再透過后續(xù)的二階光學(xué)處理調(diào)整達(dá)所需要的光形，大出光角的另一好處，是有利于將光萃取出來，呈現(xiàn)更好的發(fā)光效率值。

　　一級(jí)光學(xué)材料的選用是很大的關(guān)鍵點(diǎn)，在過去，受限于可光學(xué)成型材料的瓶頸，多數(shù)以光學(xué)聚碳酸脂(PC)或光學(xué)壓克力(PMMA)材質(zhì)為主(低階產(chǎn)品甚或有使用氧樹脂的例子)，現(xiàn)階段因硅膠材性質(zhì)已多有突破，陸續(xù)被使用在一級(jí)光學(xué)鏡片，然因膠材乃屬黏彈性非堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)，在光學(xué)精準(zhǔn)性上會(huì)受到交鏈反應(yīng)收縮程度差異影響，同時(shí)因硅膠容易吸收水氣，在高潮濕環(huán)境下，硅膠鏡片可能因吸濕膨脹而使原先設(shè)計(jì)的配光發(fā)生變化，硅膠材應(yīng)用在高功率LED封裝，適處于推廣階段。至于在光學(xué)鏡片材料選用上，還有另一種可行方式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更精致光學(xué)質(zhì)量與高度可靠度需求者，可選用穩(wěn)定的玻璃鏡片，滿足長(zhǎng)壽命和容許惡劣使用環(huán)境下嚴(yán)格考驗(yàn)。

　　有效降低熱阻值為首要課題

　　LED封裝推向高功率，首要面對(duì)熱的挑戰(zhàn)。熱效應(yīng)始終為各種材料特性退化的一大加速因子，如何掌控結(jié)點(diǎn)溫度，成為決定LED封裝功率值的主要因素，現(xiàn)階段固態(tài)照明產(chǎn)生白光的主流機(jī)制，仍以可見藍(lán)光(450～470奈米)透過熒光材(Phosphor)激發(fā)黃色光譜混合，而產(chǎn)生人類視覺上的白光。

　　市面上可見之藍(lán)光晶粒技術(shù)已達(dá)一定水平，晶粒本身對(duì)熱沖擊的忍受程度相當(dāng)大(溫度每提升10℃、發(fā)光效率衰退小于1%)，然而熱對(duì)于所有類型熒光材的效應(yīng)則相對(duì)敏感，熒光材之光轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而降低(圖3)，同時(shí)影響熒光材料壽命，特別當(dāng)熒光材料溫度超過70℃以上時(shí)會(huì)急速衰退，此意味著LED結(jié)點(diǎn)溫度(Junction Temperature, Tj)須有效控制在70℃以下，始能有效確保LED可用壽命(一般壽命以L70計(jì)算，LED衰退至原來亮度70%之時(shí)間)，作為壽命判斷依據(jù)，而此要求一般皆在20,000小時(shí)以上。因此，當(dāng)討論LED最高功率以及效能時(shí)，須考慮其于正常操作狀態(tài)下，達(dá)熱穩(wěn)定時(shí)之結(jié)果去推算始具意義。LED封裝體自身之熱阻，決定該封裝所能承受的最大功率，如何有效降低Rjc值，是為高功率LED封裝須面對(duì)的一大挑戰(zhàn)。

圖3　熒光材光轉(zhuǎn)換效率隨溫度之變化

成本、電性、可靠度為封裝體晶粒配置三大評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

　　LED晶粒的工作電流密度有其上限(以40×40密爾(mil)芯片面積為例，依芯片等級(jí)，驅(qū)動(dòng)電流從350～1,000毫安皆有，然而提高LED功率最直接的作法，是提高LED封裝內(nèi)的總晶粒面積，作法不外乎增加晶粒大小，或是提高晶粒數(shù)目(采用多晶封裝方式)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可從晶粒成本、電性考慮、以及可靠度壽命等角度予以評(píng)估：

　　?成本考慮

　　以大尺寸80密爾晶粒為例，其面積相當(dāng)于四個(gè)40密爾晶粒，然對(duì)于晶粒價(jià)格而言，80密爾的晶粒成本，因良率因素，必定高于四個(gè)40密爾的成本。

　　?電性連接方式

從電性的角度來看，80密爾晶粒相當(dāng)于將四個(gè)40密爾晶粒以并聯(lián)形式連接(圖4a)，而若使用四個(gè)40密爾晶粒，則可以選擇透過打線(Wire Bonding)方法以串聯(lián)形式連接(圖4b)，串聯(lián)與并聯(lián)方式的差異，可反應(yīng)在性能表現(xiàn)，了解每顆LED晶粒的順相電壓(Forward Voltage, Vf)皆有差異，換句話說，也就是各晶粒單元的內(nèi)阻值不一，四顆晶粒并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，必有電流分布不均問題，電流分配較大的晶粒，光轉(zhuǎn)換效率大同時(shí)也加速晶粒老化，電流分配不足的晶粒，則無法釋放出足夠的光能，結(jié)果使整體的發(fā)光效率不如預(yù)期。

圖4　于相同的晶粒面積條件下，不同晶粒大小相對(duì)應(yīng)之電性連接示意

　　?可靠度壽命

　　大晶粒因有電流分布不均現(xiàn)象，電流密度大的區(qū)域加速老化，LED老化的結(jié)果是阻值降低，導(dǎo)致該區(qū)域電流密度(Current Density)愈來愈大，也形成所謂的熱點(diǎn)(Hot Spot)，惡性循環(huán)的結(jié)果會(huì)加速LED衰退。因此，LED在相同電流密度操作下，大晶粒的可靠度壽命較小晶粒短。

　　總的來說，采用串聯(lián)形式是比較有利的作法，然大尺寸晶粒卻有其他方面的優(yōu)勢(shì)，在光學(xué)處理上，大尺寸晶粒相較于多個(gè)小尺寸晶粒，更趨近于點(diǎn)光源，較容易處理。大、小晶粒尺寸間的取舍端視應(yīng)用領(lǐng)域而定，在實(shí)際操作上，仍須考慮封裝的制程可行性以及LE